基于802.16d的定時(shí)同步算法改進(jìn)及FPGA實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　WiMAX ( Wordwide Interoperability for Mi－crowave Access)是代表空中接口滿足IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線通信系統(tǒng)。其中IEEE標(biāo)準(zhǔn)在2004年定義了空中接口的物理層(PHY)，即802．16d協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用突發(fā)模式，調(diào)制采用OFDM技術(shù)。在接收端，為了正確解調(diào)，必須找到符號(hào)的起始位置，因此，必須進(jìn)行定時(shí)估計(jì)。如果定時(shí)不正確，就可能引起嚴(yán)重的碼間干擾。由于頻偏估計(jì)是在定時(shí)估計(jì)之后進(jìn)行，如果定時(shí)估計(jì)不準(zhǔn)確，也會(huì)影響頻偏的估計(jì)性能，從而導(dǎo)致整個(gè)OFDM系統(tǒng)性能下降。因此，必須在短時(shí)間內(nèi)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定時(shí)同步。

　　目前常用的定時(shí)算法多采用計(jì)算序列的相關(guān)性。由于計(jì)算復(fù)雜，其硬件資源消耗非常龐大，所以，目前OFDM系統(tǒng)中的同步算法以軟件方法為主，已有的硬件方法由于消耗資源太大而無法將同步模塊和接收部分的其他模塊集成在一片芯片中。本文參考IEEE 802．16d物理層幀結(jié)構(gòu)，提出了一種低復(fù)雜度的幀同步和定時(shí)同步聯(lián)合算法，該算法可在FPGA上利用較少資源來實(shí)現(xiàn)。

　　1 OFDM中的符號(hào)定時(shí)同步算法

　　對(duì)于定時(shí)同步算法的研究，總體上可以分為兩類：第一類是依靠OFDM固有的結(jié)構(gòu)，如利用OFDM符號(hào)周期性前綴CP的方法，這通常被稱作循環(huán)前綴同步方法；第二類是利用OFDM中插入導(dǎo)頻或者訓(xùn)練符號(hào)的方法。在兩類同步方法中，第一類方法中最具代表性的是Beek提出的最大似然估計(jì)法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的開銷，可以提高通信的效率，但其缺點(diǎn)是估計(jì)的時(shí)間較長，而且對(duì)頻偏和噪聲比較敏感；第二類方法中最具代表性的是Schmidl和Cox提出的利用PN序列相關(guān)性的SCA算法，這一種算法受頻偏的影響較小，而且估計(jì)的時(shí)間相對(duì)比較短，非常適合用于突發(fā)通信系統(tǒng)。

　　2 適合802．16d的定時(shí)同步算法

　　IEEE 802．16d定義了一組特殊的訓(xùn)練符號(hào)，以用于同步和信道估計(jì)。這組特殊的訓(xùn)練符號(hào)包括短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列兩部分，其中短訓(xùn)練序列包括4個(gè)重復(fù)的 64點(diǎn)數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴(CP)；長訓(xùn)練序列包括兩個(gè)重復(fù)的128點(diǎn)數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴。在發(fā)射端，若干OFDM符號(hào)再加上短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列，所構(gòu)成的幀頭經(jīng)過發(fā)送濾波器和A／D轉(zhuǎn)換，再通過上變頻后，即可發(fā)送到信道中。而在接收端，則利用幀頭的訓(xùn)練序列來進(jìn)行同步。為了使定時(shí)同步不受頻偏的影響，同時(shí)可以在較短時(shí)間內(nèi)完成，本文采用SCA算法。該算法又可細(xì)分為延時(shí)自相關(guān)算法和本地序列互相關(guān)算法兩類。

　　2．1 延時(shí)自相關(guān)法

　　通常選用短訓(xùn)練序列來進(jìn)行定時(shí)同步。假設(shè)接收到的基帶數(shù)字序列為rn，n是該序列的序號(hào)，然后將接收序列經(jīng)過兩個(gè)滑動(dòng)窗口R和P，其中R是接收信號(hào)和接收信號(hào)延時(shí)的互相關(guān)系數(shù)，P是互相關(guān)系數(shù)窗口期間接收信號(hào)的能量，此窗口的值可用于判決的歸一化，它和接收功率的絕對(duì)值是獨(dú)立的，其公式如下：

公式

　　式中，N為窗口長度，N=64，即短訓(xùn)練序列的周期，d在窗內(nèi)滑動(dòng)時(shí)，可同時(shí)計(jì)算M(n)的值。當(dāng)沒有包含前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，得到的M (n)值通常非常小(遠(yuǎn)小于1)，而當(dāng)有前導(dǎo)字結(jié)構(gòu)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的M(n)值迅速升高，并將出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階，對(duì)應(yīng)的峰值接近于1。由于M(n)值升高需要一個(gè)時(shí)間范圍，因此該算法并不能精確定時(shí)，只適合粗略的檢測(cè)幀是否到達(dá)。圖1所示的虛線即表示信號(hào)出現(xiàn)時(shí)M(n)曲線的變化情況。